Повлияет ли рост уровня CO₂ на рост растений?

Растения стали неожиданным предметом политических дебатов. Многие прогнозы предполагают, что сжигание ископаемого топлива и вызванное им изменение климата усложнят выращивание достаточного количества пищи в ближайшие десятилетия. Однако некоторые группы, выступающие против ограничения выбросов, утверждают, что более высокие уровни углекислого газа (CO₂) усилят фотосинтез растений и, следовательно, увеличат производство продовольствия.

Новое исследование, опубликованное в Science, предполагает, что прогнозирование эффектов повышения уровня CO₂ на рост растений может быть сложнее, чем ожидалось.

Проблема фотосинтеза

Фотосинтез — это процесс, использующий световую энергию для преобразования CO₂ в сахара, которые питают рост растений. Ключевой фермент этого процесса, RuBisCO, иногда ошибочно захватывает молекулу кислорода вместо CO₂. Это стало серьезной проблемой, когда около 30 млн лет назад уровень CO₂ в атмосфере упал до менее чем трети от прежнего. Сегодня эта ошибка может потреблять до четверти ресурсов растения при 25°C, и проблема усугубляется с ростом температуры.

C3 и C4 растения

Некоторые растения (C4, например, кукуруза и сахарный тростник) развили механизм "накачки" CO₂ к клеткам с RuBisCO, что повышает эффективность фотосинтеза, особенно в жарких и сухих условиях. Большинство же растений, включая многие культуры (C3, например, рис и пшеница), этого не делают.

Большинство моделей предполагало, что при росте CO₂ C3 растения будут расти лучше, а на C4 растения повышение CO₂ окажет незначительный эффект, что подтверждалось краткосрочными исследованиями.

Удивительные результаты 20-летнего эксперимента

Новая работа в Science сообщает данные 20-летнего эксперимента по сравнению C3 и C4 растений:

• Первое десятилетие: C3 травы, выращенные при повышенном CO₂, росли лучше, а C4 — нет, как и ожидалось.
• Второе десятилетие: Ситуация изменилась на противоположную. C3 растения производили меньше биомассы при высоком уровне CO₂, а C4 растения — больше.

Этот результат, по-видимому, связан с изменением доступности азота в почве для растений в разных экспериментальных группах с течением времени. Эффект зависел не только от самих растений, но и от их взаимодействия с химией почвы и её микробами.

Последствия для экосистем и сельского хозяйства

• Для экосистем: Влияние изменений CO₂ на устоявшиеся экосистемы сложно и трудно предсказуемо. Возможно, C4 тропические луга будут поглощать больше углерода, а леса (преимущественно C3) — меньше, чем ожидалось.
• Для производства пищи: Результаты менее утешительны. Эксперимент проводился на многолетних травах. Современные зерновые культуры — это однолетние растения, которые не успевают сформировать те почвенные взаимодействия, которые, вероятно, стимулировали рост C4 растений в эксперименте.
  • Не стоит ожидать, что урожайность C4 культур (кукуруза) значительно вырастет из-за CO₂.
  • Падение биомассы, наблюдавшееся у C3 растений в эксперименте, не должно произойти с однолетними C3 культурами.

Однако любое потенциальное увеличение фотосинтеза у C3 растений из-за роста CO₂, скорее всего, будет как минимум нивелировано негативными эффектами глобального потепления, которое вызывает этот CO₂ (усиление ошибок RuBisCO при высокой температуре, засухи). Идея о том, что повышение уровня CO₂ само по себе решит проблему продовольственной безопасности, по-прежнему кажется слишком хорошей, чтобы быть правдой.